6.19: Vidrios y curvas de enfriamiento

Vidrios

A veces, en lugar de poseer los enlaces cristalinos cuidadosamente arreglados de los que hemos estado hablando, los materiales terminan parcial o completamente mezclados. En particular, los elementos que tienen flexibilidad en la orientación rotacional de los enlaces pueden formar estas estructuras desordenadas, como cadenas largas entrelazadas congeladas en una orientación aleatoria. Nos referimos a estas estructuras amorfas como vidrios. En\(3.091\) nos centraremos principalmente en la sílice: un vidrio a base de dióxido de silicio.

La escala del orden al trastorno es un espectro. Los cristales individuales tienen un orden casi perfecto: todo está orientado de la misma manera, y hay un orden de largo alcance en la red cristalina. Luego están los materiales policristalinos, los cuales poseen múltiples regiones cristalinas dispuestas en granos. Cerca de los límites de grano, hay defectos; el cambio repentino en la orientación del cristal puede agregar deformación local. Los materiales policristalinos tienen orden de corto alcance, en la escala de los granos, pero carecen de la homogeneidad de los monocristales. En el otro extremo del espectro se encuentran los materiales amorfos. Estos materiales vítreos carecen de cualquier apariencia de orden: la libertad de rotación completa de la unión de silicio proporciona poca restricción en la disposición de los enlaces.

Resulta que es posible controlar si una masa fundida forma un cristal o un vidrio mediante la ingeniería cuidadosa del proceso de enfriamiento. Aunque los vidrios de sílice son capaces de formarse, la estructura regular de la red cristalina sigue siendo la estructura más favorable energéticamente. En un cristal, los átomos están dispuestos de manera óptima para minimizar la energía al equilibrar la atracción coulómbica entre protones y electrones con la repulsión de cargas similares.

Curvas de enfriamiento

En resumen, la perilla primaria podemos girar para determinar si una fusión termina como un cristal o un vidrio está procesando. Una métrica que nos permite realizar un seguimiento del efecto que varias etapas de procesamiento han afectado a la masa fundida es el volumen molar. Se puede pensar en el volumen molar como un proxy para el trastorno. Para el cristal óptimamente dispuesto, los átomos están mínimamente espaciados y el volumen molar se minimiza. Cuanto más desordenado se vuelve el material, más espacio ocupa cada átomo, ¡y mayor es el volumen molar! Al medir el volumen molar en función de la temperatura, podemos comparar qué tan ordenados o desordenados están los diferentes métodos de procesamiento.

Ejemplo: Etiquetar la gráfica con las siguientes características de las curvas de enfriamiento: líquido, líquido superenfriado\(\mathrm{T}_m, \mathrm{T}_g\), los regímenes cristalino y vítreo, y las curvas con las velocidades de enfriamiento más rápidas y lentas

Contestar

Líquido es el estado de la materia a altas temperaturas, cuando el material forma una masa fundida. Tiene una pendiente mayor que las regiones sólidas debido a que el coeficiente de expansión térmica\(\left(\frac{\partial \bar{V}}{\partial T}\right)\) es generalmente mayor para líquidos que para sólidos. El punto de fusión\(\mathrm{T}_m\),, se puede determinar buscando una discontinuidad en la parcela: durante la transición de fase de líquido a sólido implica un gran cambio en el volumen molar a temperatura constante. Correspondientemente, el régimen cristalino es el sólido a baja temperatura que sigue a la transición de fase. El líquido superenfriado es cualquier líquido que permanezca a temperaturas por debajo del punto de fusión- tiene la misma pendiente que el líquido por encima del punto de fusión. Los puntos en el régimen de líquido superenfriado donde los cambios de pendiente son las temperaturas de transición vítrea,\(\mathrm{T}_g\). A diferencia de la transición de fase cristalina, la transición vítrea es continua (pero no suave): se puede pensar en la transición vítrea como simplemente congelar la masa fundida líquida viscosa en su lugar, como es. Recuerda que dependiendo de los detalles del procesamiento, se pueden formar vidrios con diferentes\(\mathrm{T}_g\) y diferentes volúmenes molares. Abajo\(\mathrm{T}_g\), el vidrio se vuelve sólido: este es el régimen vítreo. Finalmente, los átomos tardan mucho tiempo en reorganizarse en estructuras ordenadas, por lo que los cristales se procesan con las velocidades de enfriamiento más lentas. Los vidrios con mayores volúmenes molares son los más desordenados: estos fundidos tienen que congelarse rápidamente, y tienen las velocidades de enfriamiento más rápidas.

Ejemplo: ¿Cuál de las siguientes muestras producirá un vaso con mayor volumen molar?

\ (\ begin {array} {lll}\ text {melt is very viscoso} &\ text {OR} &\ text {melt is very fluid}\\ text {melt is cooled rapidamente} &\ text {OR} &\ text {melt is cooling little}\
\ text {la estructura cristalina de equilibrio es compleja} &\ text {OR} &\ text {cristal de equilibrio la estructura es simple}\ end {array}\)

Contestar

Una masa fundida viscosa no fluye fácilmente: es más difícil que los átomos se muevan alrededor que en una masa fundida muy fluida. Por lo tanto, con todos los demás factores mantenidos constantes, la masa fundida viscosa debería producir un vidrio con mayor volumen molar. Siguiendo la justificación de la sección anterior, la masa fundida que se enfría rápidamente producirá un vidrio con mayor volumen molar en comparación con una masa fundida que se enfría lentamente. Finalmente, si la estructura cristalina de equilibrio formada por una masa fundida es muy complicada, todos los átomos tardan en llegar a sus sitios de celosía óptimos. Con todos los demás factores mantenidos constantes, la masa fundida con una estructura cristalina de equilibrio más compleja producirá un vidrio de mayor volumen molar que el fundido con una estructura cristalina de equilibrio simple.